数控机床运行可靠性控制技术方案分析

2022-02-28翁州雄

内燃机与配件 2022年5期

翁州雄

摘要：可靠性是评估数控机床运行效率和经济性的关键性指标，因此，要结合数控机床运行情况建立多元控制方案，利用对比分析的方法，从保养、运行状态以及工作环境等关键点出发，全面阐释影响数控机床运行可靠性的因素，并通过建模的方式全面解读数控机床运行可靠性控制要求，打造实时性监控平台，以便于能全面了解数控机床运行情况，提高数控机床应用运行质量，为我国数控机床行业发展提供保障。

Abstract： Reliability is a key indicator for evaluating the operating efficiency and economics of CNC machine tools. Therefore， it is necessary to establish multiple control schemes based on the operating conditions of CNC machine tools， using comparative analysis methods， starting from key points such as maintenance， operating status， and working environment. Comprehensively explain the factors that affect the operating reliability of CNC machine tools， and comprehensively interpret the reliability control requirements of CNC machine tools through modeling， and create a real-time monitoring platform so that you can fully understand the operating conditions of CNC machine tools and improve the quality of CNC machine tool applications. Provide guarantee for the development of my country's CNC machine tool industry.

关键词：数控机床;可靠性;控制技术

Key words： CNC machine tools;reliability;control technology

中图分类号：TG659 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2022）05-0190-03

0 引言

伴随着机械制造业的全面发展，数控机床运行效果受到了广泛关注，为了全面提升行业市场核心竞争力，要建立健全完整的控制机制，全面分析设备运行可靠性因素，以可靠性为出发点，打造更加合理科学的应用平台，从而实现经济效益和社会效益和谐统一。

1 数控机床运行可靠性关键点

1.1 保养

对于数控机床而言，在运行一段时间后，电器元件或者是机械部件会存在故障问题，而数控机床本身是高精度设备，元件的损坏难免会对整个设备运行稳定性和质量效果产生影响。在对数控机床故障数据进行统计分析（图1）后可知，使用过程因素造成运行不稳定的比例接近60%。

若是依据数控机床故障时间和故障模式对相关问题进行分析可知，日常维护保养、预防性维修、修复性维修、改善维修等工作的落实能有效建立实时性监管体系，从而及时发现问题并落实对应的处理措施。也就是说，只有落实数控机床维系保养综合监管模式，才能延长元件的使用寿命，为数控机床长效稳定工作运行提供支持。

①日常维护保养，主要是检查和清洗。

②預防性维修，主要分为计划维修和状态维修两大类。其中，计划维修涉及定时拆修和定时更换。而对应的状态维修则包括拆修、更换。

③修复性维修，结合数控机床应用运行的具体情况，按照“定位分解更换再装检测”的基本流程完成相关工作，从而真正意义上建构完整且系统化的修复性管理平台。

④大修，主要是整机翻修处理和数控改造。

⑤配合改善维修、质量维修和可靠性维修等系统工作，就能建立健全更加全面的维修保养活动体系。

1.2 运行状态

在数控机床运行状态分析管理工作中，运行状态参数也会对其运行效果产生影响，其中，功率参数、振动参数、压力参数、流量参数等较为关键，有效反映数控机床的基本性能。见表1。

为了维持数控机床运行可靠性，要整合具体状态分析模式，确保能对运行状态参数进行实时性监控。一旦采集状态信息参数超出正常运行参数标准范围，数控机床就会联动报警信号，以保证用户能及时采取相应的处理措施，维持数控机床应用运行效果，为常规化工作的开展提供保障。

具体参数如下：①切削液温度，正常参数范围是0到40℃，操作人员要及时检查切削液冷却装置或者是重新完成切削冷却温度的设置。②液压油温度，正常参数范围是10℃到60℃，操作人员要检查液压油冷却装置运行状态，并且检查液压管路是否存在堵塞的问题，及时清堵。③主轴温度，正常参数范围是0到60℃，要检查油冷机的运行状态。④气源湿度，正常参数范围是0%RH到75%RH，主要是借助更换气源干燥装置完成保障工作。⑤回油压力，正常参数范围是0到0.2MPa，及时更换液压回油过滤器维持其应用效果。

1.3 工作环境

在数控机床应用过程中，工作环境因素也会对机床运行质量产生影响，若是缺乏对工作环境变化产生影响的重视，不仅会增加数控机床常规化使用，也会影响数控机床内部元件，造成永久性伤害。本文以环境温度、湿度以及电源电压为例，对运行可靠性产生的影响机理予以分析，并制定相应的保障机制。

第一，环境温度。在机床发展进程中，设备已经逐渐向着高速度、高精度以及柔性自动化方向发展，这就对机床加工精度提出了新的要求，要想維持数控机床运行效果，就要着重关注机床的热态特性。值得一提的是，外热源对机床产生的影响，一般是单向或者是局部的，所以，机床内部会产生一定的温度差异，长此以往就会造成机床变形问题，严重影响机床的加工精度。例如，机械手热变形就会造成刀库系统中机械手和主轴结构不同心，无法有效开展后续工作。

第二，环境湿度，数控机床对工作环境的湿度要求较高，一般要将湿度控制在75%以下，若是在高温高湿环境中，就要应用密封电气柜结构，并且配置相应的空调设施维持冷却状态。若是湿度参数较大，数控机床停机后就会出现水分子结褥的现象，严重侵蚀硬件模块，制约数控机床的运行效果。基于此，针对加工现场进行严格的湿度监督管理，利用去湿设备或者是烘干装置予以处理，降低湿度参数后才能上电运行。

第三，电源电压。因为数控机床本身就是机械技术、电子技术等多元设备紧密融合的自动化设备，周围环境因素会对其运行可靠性产生深远的影响，其中，电源结构的基础电压质量非常关键，只有建立安全且可靠的环境应用平台，才能减少设备运行故障。一般而言，数控机床电压要从一次电源到三次电源。其中，一次电源是指车间电网供给三相380V电源、二次电源指的是三相电源变压器从一次电源衍生出的单向交流220V电压，供给CNC单元和显示器单元。三次电源是指二次电源转化的数控机床直流电源，包括±5V、±24V等。

综上所述，在明确相关参数对数控机床运行可靠性产生影响的基础上，就要结合实际情况落实相应的参数分析，并且制订更加合理有效的保障机制，维持总体管控效果。

2 数控机床运行可靠性控制分析

只有践行科学合理的维护保养机制，才能从根本上提高数控机床的运行质量，因此，依据状态监测要求对数控机床维修保养决策予以建模分析，从而评估特征量，全面分析数控机床运行的可靠性和设备健康情况，具有重要的实践意义。

2.1 分析数控机床故障数据

在对数控机床运行可靠性控制机制进行全面分析的过程中，结合概率论可知，整体指数分布概率密度函数会呈现出单调下降的趋势，依据观测数值拟合曲线形状判定随机变量分布情况，就能在获取故障信息数据的同时，基于综合评估模式落实相应对策。数控机床的故障间隔时间能有效拟合分析可靠性模型，及时收集数据就能为全面了解其应用情况，数据收集区间一般是从数控机床投入使用开始，一直到设备报废处理，本文将数控机床在全过程数据跟踪期间的故障间隔时间观察数值作为拟合参数的基础数值，分析概率密度函数，设定故障间隔时间观测值为t∈[T0，，Tt]，分为N组。将每组时间的中值作为横坐标参数，每组概率密度观测数值f（t）作为纵坐标参数，绘制概率密度图，并在此基础上结合概率密度曲线变化趋势完成相关评估工作，结合数值参数可知，数控机床故障间隔时间满足何种分布要求。

2.2 威布尔风险比例模型

主要是借助Matlab进行数值参数的汇总处理，在获取数控机床故障数据后，对其进行线性化处理分析，能获取威布尔概率曲线，在数据曲线中，会将威布尔可靠性参数进行对应的变换处理，以保证能及时完成威布尔模型优化。

第一，在变换后，X-Y坐标系下图形为威布尔概率图，也就是WPP图。

第二，结合WPP图实际情况，将其和已知范围的标准WPP图进行对比分析，就能了解模型拟合的特点，较为常见的威布尔风险比例模型分为单一型和复杂型，依据实际情况匹配对应的分析机制。

第三，结合两重威布尔分段模型定义可知，若是将时间t>0的相关区间分为T1区间和T2区间，则，表示为T1∈[0，t0]和T2∈[t0，t]，匹配对应的可靠度函数，就能建立参数威布尔分布模型。

第四，结合故障率进行产品寿命周期化分析，不同时间段存在对应的关键时间拐点，依据可靠度函数和概率密度函数就能分析相关情况，从而全面评估威布尔风险比例模型。

2.3 可用度最大维修保养决策模型

为了保证能全面了解数控机床运行可靠性参数，要结合模型数据和结构，建立更加科学有效的分析机制，从而对复杂设备计划性维修决策予以管理，发挥费用最低模型和可用度最大模型的运行优势，利用设备状态监测保证设备可利用率最大化，发挥设备的使用优势，延长其使用寿命，保证数控机床运行稳定且科学。可用度是可用时间/可用时间+不可用时间，并结合托盘交换装置可用度模型进行预防性维修时间的分析处理。也就是说，在数值分析过程中，故障率若是高于故障率阈值，则表示数控机床相应元件需要进行预防性维修，若是没有达到标准，则无需维护保养。例如，以数控机床托盘交换装置（图2）为例，故障分析基础上建立威布尔比例风险分析模型，并且依据维修保养情况制定相应的保养决策计划。

在交换装置完成相应加工操作工序后，工作自动交换设备就能结合实际应用要求完成对应工作，交换装置利用托盘交换升降油缸完成托架的处理，托盘和锥形定位销分离，再借助回转油缸实现托架180°回转处理，托盘交换装置落下，就能实现托盘的自动交换。在工作状态下，因为离心力较大且转速较快，常常会出现精度不足的现象。基于威布尔风险分析模型的系统化分析，对交换装置予以状态监测，及时结合监测结果开展相应的维修工作，能有效避免更换报废造成的资源浪费。

由图2可知，A处设定为齿轮齿条的咬合位置，受到的冲击力最大，所以，要利用加速度传感器对其进行实时性分析，安装在A位置以保证能利用传感器采集信号实现实时性在线监测，传输到工控机就能完成分析工作（图3）。

由图3可知，故障间隔时间呈现出单调下降的状态，并且，在下降一段时间后趋于平缓，这就说明故障时间服从的分布可能是指数分布，利用对应软件完成数据的搜索和处理，建立线性化分析，就能获取最终的威布尔概率图。

3 数控机床运行可靠性监控系统

正是基于对数控机床运行效率和质量的综合考量，要整合具体的应用模式，建立可靠性监控系统，以保证能及时收集匹配信息，为数控机床运行可靠性优化提供支持，维持良好的系统设计和开发应用模式。从运行可靠性监控系统开发环境入手，从逻辑功能分析的角度设置对应的模块，以保证能更好地分析数控机床运行可靠性参数。

3.1 硬件

数控系统硬件组成部分如下：①人机通信，作为控制整个硬件系统的操作和显示平台，还能支持数据交换处理，开发和修改零件程序的同时，有效执行零件程序，保证程序和数据读入、读出的及时性。②可编程逻辑控制，作为工业专用计算机，主要是采取面向用户指令的处理平台，搭建借助运行用户分析模式完成编制控制程序的工作任务，及时和数控机床伺服系统予以连接，確保能及时分析机床操作显示内容、运行控制内容等。③数字控制，完成加工程序块的预处理工作，并且建立插补运算分析单元，以保证专用模块支持下能与外部计算机建立相应的通讯互联，最大程度上提高数据传输效果。

3.2 软件

采取MMC软件，配置相应系统的同时，设置对应软件应用控制机制，能全面支持SINUMERIK与外界进行相互通信以及任务的协调性管理。与此同时，还支持PLC软件、NC软件等。例如，建立运行可靠性监控系统运行模块，安装在加工中心位置，结合加工中心配置的数控系统，借助调试处理，就能分析监控系统的运行效率，全面分析维护保养、开机维护、运行条件监控内容等。

4 结论

总而言之，为了提高数控机床的运行效率，要整合性能分析模式，及时了解运行状态和应用要求，建构完整地技术分析机制，着重了解可靠性影响因素，并建立相应的决策模型，为全面优化设备综合控制效果提供保障，促进数控机床可持续发展。

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